水生態(tài)系統(tǒng)砷蓄積思考范文

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1材料與方法(Materialsandmethods)

1．1供試材料供試洛克沙胂含As28．5%(廣州市惠華動物保健品公司)。供試底泥采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園池塘，采用多點采樣法，每個樣點采集底泥1kg。風(fēng)干后將多個樣點的底泥樣品混合、粉碎、過2mm篩，備用。底泥基本理化性質(zhì)為:pH，4．69;總砷，1．41mg•kg-1;有機質(zhì)，42．3g•kg-1;全氮2．78g•kg-1;全磷，0．42g•kg-1。

1．2試驗設(shè)計試驗在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)玻璃溫室內(nèi)進行。采用玻璃水族箱模擬水生態(tài)系統(tǒng)，水族箱容積為65L(0．6m×0．3m×0．4m)。試驗開始前，于水族箱底部均勻鋪上約5cm厚的底泥(重量7kg)，然后緩慢加入50L自來水，待水體穩(wěn)定7d后，加入適量的KNO3、NaH2PO4和NaHCO3，使水體全氮和全磷濃度分別為1mg•L-1和0．1mg•L-1，達到中富營養(yǎng)水平。模擬水生態(tài)系統(tǒng)在自然光照件下穩(wěn)定30d后，向每個水族箱放入40g金魚藻及20尾個體均一的鯽魚(每尾60±2g)，再次平衡7d后，加入不同用量的ROX，使水生態(tài)系統(tǒng)初始ROX濃度分別達到10、20、40、80和160mg•L-1，以不加ROX的處理為對照。試驗共設(shè)6個處理，每處理三個水族箱，即三次重復(fù)。試驗期間，水溫23±2℃，每隔3天用自來水補充蒸發(fā)失水。分別于ROX加入水體后的0、2、4、8、16和32d動態(tài)采集底泥樣品;于0、2、4、8、16和21d采集鯽魚樣品，前5次采樣中每次采集3尾鯽魚用于分析，第6次采集全部剩余5條鯽魚。

1．3分析測定指標及方法水樣、底泥、金魚藻和鯽魚樣品中總砷含量均采用二乙基二硫代氨基甲酸銀比色法［16］(最低檢出濃度0．007mg•L-1，測定上限濃度0．05mg•L-1)進行測定。鯽魚以整個魚體為樣品測定總砷含量。底泥細菌、放線菌、真菌、氨化細菌及反硝化細菌數(shù)量測定均采用《污染控制微生物學(xué)實驗》中相關(guān)方法。其中，細菌總數(shù)測定采用平板傾注混合法(牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基)，放線菌總數(shù)測定采用平板計數(shù)法(高氏一號培養(yǎng)基)，真菌總數(shù)測定采用平板計數(shù)法(查氏培養(yǎng)基)，氨化細菌總數(shù)測定采用酒石酸鉀鈉硝酸鹽培養(yǎng)基MPN法測定，反硝化細菌總數(shù)測定采用MPN法(酒石酸鉀鈉硝酸鹽培養(yǎng)基)。

1．4數(shù)據(jù)分析采用excel2010和SAS10．1軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2結(jié)果與分析(Resultsandanalysis)

2．1水體和底泥砷含量動態(tài)變化外源ROX進入水生態(tài)系統(tǒng)后水體砷變化動態(tài)如表1所示。對照處理未檢出砷，ROX處理的水體砷含量隨ROX用量增加而顯著增加。其中，160mg•L-1ROX處理的水體砷含量達到80．2～116．5mg•L-1。隨培養(yǎng)時間延長，水體砷含量總體呈降低變化。第32天，各ROX處理的砷濃度較相應(yīng)0d的降幅為31．2%～62．4%。水體中砷濃度的降低除揮發(fā)損失外，可能與其向其他介質(zhì)中轉(zhuǎn)移、分配有關(guān)。底泥總砷含量隨ROX用量增加而顯著增加(表1)。其中，160mg•L-1ROX處理的底泥總砷含量是對照處理的40．1～110．0倍。隨暴露時間延長，不同用量ROX處理的底泥總砷含量呈增加趨勢。20～160mg•L-1ROX處理下，試驗?zāi)┢?第32天)砷含量較初始含量(第1天)增幅為7．9%～94．0%。對照和10mg•L-1ROX處理的底泥砷含量變化較小。底泥砷含量變化結(jié)果表明，添加的外源ROX從水體向底泥進行轉(zhuǎn)移和分配。

2．2鯽魚和金魚藻砷含量動態(tài)變化對照處理鯽魚體內(nèi)未檢出砷(圖1A)，不同濃度ROX處理的水體中鯽魚體內(nèi)均出現(xiàn)明顯的砷蓄積現(xiàn)象。試驗初始(0d)，10～80mg•L-1ROX處理的鯽魚體內(nèi)砷含量在0．37～0．97mg•kg-1，而160mg•L-1ROX處理下鯽魚砷含量高達11．36mg•L-1，且此處理的鯽魚均于試驗第1天全部死亡。隨暴露時間延長，10～80mg•L-1ROX處理的水生態(tài)系統(tǒng)中鯽魚體內(nèi)砷含量明顯增加，并在試驗第21天，鯽魚均出現(xiàn)不同程度的毒性反應(yīng)，部分處理出現(xiàn)死魚現(xiàn)象。基于各處理間分析比較需要，于21d對所有處理鯽魚全部進行收集與分析。試驗結(jié)果說明，水生態(tài)系統(tǒng)添加的外源ROX從水體向鯽魚體內(nèi)發(fā)生了轉(zhuǎn)移和分配，并最終導(dǎo)致鯽魚出現(xiàn)砷中毒現(xiàn)象。基于水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡及鯽魚生長需要，僅于試驗?zāi)┢谶M行金魚藻采集與砷累積量的分析，結(jié)果如圖1B所示。對照處理的金魚藻累積的砷含量較低，為1．71mg•kg-1。外加不同濃度ROX顯著增加金魚藻砷累積量，且隨ROX添加量增加而顯著升高。其中，10mg•L-1ROX處理下金魚藻砷含量為398．1mg•kg-1，160mg•L-1ROX處理的金魚藻砷含量高達1538．91mg•kg-1，是10mgL-1處理的900倍。整個試驗期間，不同濃度的ROX處理下，金魚藻未表現(xiàn)出明顯的毒性癥狀，說明金魚藻具有較強的砷耐受能力。

2．3ROX對底泥微生物的影響試驗期間水生態(tài)系統(tǒng)底泥真菌數(shù)量變化如圖2A。各處理底泥真菌數(shù)量隨暴露時間延長總體呈下降趨勢。第32天，各處理底泥真菌數(shù)量在0．02×104～0．27×104間，相比試驗初期降幅在83．7%～99．7%之間，說明在厭氧環(huán)境下，底泥中真菌的生長受到顯著抑制。與對照相比，ROX處理的底泥真菌含量隨ROX濃度增加而明顯降低，說明ROX對底泥真菌生長具有抑制作用，且存在濃度和時間效應(yīng)。底泥細菌含量動態(tài)變化如圖2B所示。對照和10mg•L-1ROX處理的底泥細菌數(shù)量在培養(yǎng)的第2天出現(xiàn)顯著增加，說明短時間內(nèi)底泥細菌對厭氧環(huán)境及低濃度ROX具有積極響應(yīng)。隨著暴露時間延長，不同ROX處理下底泥細菌數(shù)量明顯降低，培養(yǎng)末期細菌數(shù)量較起始階段降低88．6%～97．7%。總體上，長時間暴露后，ROX對底泥細菌生長具有較強的抑制作用。底泥放線菌分析結(jié)果(圖2C)顯示，培養(yǎng)期間，低濃度ROX(10mg•L-1)處理的底泥放線菌數(shù)量為44．97×104～988．77×104，明顯高于對照處理(8．16×104～202．95×104)，說明適宜的ROX濃度對放線菌的生長具有一定的促進作用。其他ROX處理的底泥放線菌數(shù)量在培養(yǎng)第4d均大幅降低，培養(yǎng)第8天，放線菌數(shù)量又出現(xiàn)明顯增加，之后至培養(yǎng)結(jié)束總體呈降低變化。這一現(xiàn)象說明，隨ROX濃度升高，其對底泥放線菌生長的促進效應(yīng)具有階段性。底泥中兩種氮轉(zhuǎn)化微生物分析結(jié)果如圖2D和E所示。ROX處理的底泥反硝化細菌數(shù)量(圖2D)隨暴露時間延長總體呈降低趨勢，培養(yǎng)第32天反硝化細菌數(shù)量在0．28×104～22．1×104間，較初始階段降低64．2%～98．3%，而不加ROX的對照處理在培養(yǎng)末期底泥反硝化細菌數(shù)量顯著增加1168倍。試驗結(jié)果說明，反硝化細菌作為一種兼厭氧性微生物，在底泥這種厭氧環(huán)境下，其生長被促進，而添加外源ROX顯著抑制了反硝化細菌的生長。底泥氨化細菌的分析結(jié)果(圖2E)顯示，試驗起始，高量ROX(80和160mg•L-1)處理的底泥氨化細菌數(shù)量明顯較高，均達到600×104，高于其他處理9倍之多。其他濃度的ROX處理下，底泥氨化細菌數(shù)量在培養(yǎng)的第8天均出現(xiàn)明顯增加，其中40mg•L-1ROX處理的底泥氨化細菌達517．5×104，之后明顯降低。試驗結(jié)果說明，底泥氨化細菌受ROX濃度影響較大，高濃度ROX在試驗初期可顯著促進氨化細菌生長，而10～40mg•L-1ROX對氨化細菌生長的促進效應(yīng)出現(xiàn)在第8天。

3討論(Discussion)

3．1水生態(tài)系統(tǒng)中砷的分配特征研究顯示，洛克沙胂作為一種環(huán)境污染物對水生態(tài)系統(tǒng)具有毒性效應(yīng)。本文中，外源ROX進入水體明顯增加水體砷含量，但隨時間推移，水體砷濃度雖逐漸降低(表1)，并不能說明水生態(tài)系統(tǒng)砷污染及其毒性效應(yīng)隨之降低。針對水體生物及非生物介質(zhì)砷含量的分析表明，底泥(表1)、鯽魚和金魚藻(圖1)砷含量隨ROX暴露時間及其濃度增加均呈明顯增加趨勢，說明水體砷向其他生物及非生物媒介中進行了轉(zhuǎn)移和分配，并表現(xiàn)出明顯的劑量-時間效應(yīng)特征。ROX的生態(tài)毒性可從高濃度ROX(160mg•L-1)處理下鯽魚的快速死亡現(xiàn)象得到驗證。ROX主要通過抑制鯽魚肝臟、腎及鰓細胞的Na+-K+-ATP酶活性并導(dǎo)致腎DNA損傷等對鯽魚產(chǎn)生毒性效應(yīng)。薛培英［20］研究表明，金魚藻地上部具有較強的As富集能力，在10μmol•L-1As溶液中暴露4d后，砷富集量＞1000mg•kg-1。本文中，金魚藻在10～160mg•L-1ROX溶液中暴露32d后，As累積量達到398．1～1538．9mg•kg-1，但并無明顯的毒害癥狀，說明金魚藻對砷具有一定的耐性，可作為砷污染水體凈化植物。水體底泥是外源ROX的重要蓄積庫，ROX進入底泥后主要以物理吸附為主［13］。本試驗中，水生態(tài)系統(tǒng)底泥砷含量隨外源ROX濃度增加及培養(yǎng)時間延長逐步增加(表1)，說明底泥蓄積了一定量的砷。研究顯示，ROX在底泥土壤中的降解是微生物主導(dǎo)的生物降解過程［21］。針對農(nóng)田溝渠底泥中ROX及其代謝物的研究表明，在底泥的厭氧環(huán)境下，細菌可促進ROX主要的無機代謝物之一—As(V)還原為另一種代謝物—As(Ⅲ)，并使As(V)甲基化形成二甲基砷。通常，ROX原形毒性較低，而轉(zhuǎn)化為無機砷的ROX代謝產(chǎn)物毒性較強。本文中，水體底泥的厭氧環(huán)境導(dǎo)致其蓄積的ROX可能發(fā)生一系列的生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化和降解，生成毒性更強的無機砷，從而對水生生物如鯽魚等造成毒害效應(yīng)。

3．2ROX對底泥微生物的影響ROX作為一種有機胂制劑具有較強的殺菌性，對環(huán)境中微生物生長、繁殖產(chǎn)生抑制效應(yīng)。張帆等研究顯示，洛克沙胂可導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性及其碳代謝能力改變，且暴露濃度越高其作用越強。土壤中ROX降解產(chǎn)物As(V)與細菌Shannon-Weiner指數(shù)存在一定的負相關(guān)關(guān)系，而另一降解產(chǎn)物As(Ⅲ)與細菌Shannon-Weiner指數(shù)無明顯的相關(guān)性。本文中，不同ROX處理下底泥真菌、細菌和反硝化細菌數(shù)量隨培養(yǎng)時間延長總體呈降低趨勢(圖2)，說明ROX及其降解產(chǎn)物對底泥微生物生長產(chǎn)生了不同程度的抑制作用。張雨梅等［14］研究表明，施用80～150mg•kg-1ROX對土壤硝化和氨化作用均產(chǎn)生極顯著抑制作用。土壤硝化作用的抑制，導(dǎo)致反硝化細菌的作用底物—硝態(tài)氮生成量降低，一定程度上影響反硝化細菌的繁殖，與本文研究結(jié)果類似。氨化細菌作為參與土壤氨化作用的主要生理菌群，其數(shù)量在培養(yǎng)的第8天出現(xiàn)明顯增加變化(圖2)，與目前已有研究結(jié)果有所差異。不同ROX處理的底泥放線菌數(shù)量出現(xiàn)與氨化細菌相似的變化(圖2)。已有研究表明，低濃度砷對土壤大多數(shù)微生物的生長具有刺激作用，一些異化的原核生物以還原的砷作為生長代謝的營養(yǎng)物質(zhì)。本文中可觀察到底泥放線菌在低濃度ROX(10mg•L-1)處理下其生長受到促進，而培養(yǎng)第8天時放線菌和氨化細菌數(shù)量增加(圖2)，究竟與哪一種ROX的代謝物作用有關(guān)，尚有待進一步的研究和探索。試驗結(jié)果表明，外源洛克沙胂進入水生態(tài)系統(tǒng)后，從水體向底泥及生物體如鯽魚和金魚藻發(fā)生了遷移和分配，且表現(xiàn)出時間－劑量依賴效應(yīng)。鯽魚暴露在160mg•L-1ROX水體中1d全部死亡，在10～80mg•L-1ROX的水體暴露21d也出現(xiàn)不同程度的死亡現(xiàn)象。金魚藻具有較強的耐砷能力，在10～160mg•L－1ROX水體暴露32d，其砷累積量達398．1～1538．91mg•kg-1，且表觀上無明顯的毒害癥狀，可作為砷污染水體凈化植物。水生態(tài)系統(tǒng)中底泥對水體中ROX的蓄積導(dǎo)致底泥真菌、細菌和反硝化細菌生長受到不同程度抑制，而ROX對底泥放線菌和氨化細菌的生長具有一定的促進作用。對ROX在水生態(tài)系統(tǒng)毒性作用機理的全面了解，尚需開展進一步的研究和探索。

作者：王素芬 寧建鳳 崔理華 許巧玲 李國婉 單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所